中红外波光子晶体应用于热释电传感器

摘要

多孔硅光子晶体(Porous Silicon Photonic Crystal)是一种新型光学功能材料，通常采用阳极氧化法(Anodization)制备，阳极氧化在单一方向上进行且高低电流密度周期交替变化可以构成不同孔度的多孔硅在一维空间上的周期交替排列，即造成了不同介电常数层的周期性排列，这种多层结构可形成类似于半导体中电子能量带隙的光子频率带隙(PBG，Photonic Band Gap)，故称为一维光子晶体(1-Dimension Photonic Crystal)，频率在某一带隙内的电磁波无法传播到光子晶体的另一端，这种制作薄膜的方法相对简便、制作成本非常低、具有孔度可调制等独特性质，使多孔硅成为一种在光学应用领域非常具有潜力的材料。如果氧化后的多孔硅一维光子晶体的“光子带隙”被设计在热释电传感器的信号波段，它的隔热性能可用于热释电传感器衬底从而提高探测器的灵敏度，同时又能对特定红外波段辐射实现阻断。 热释电红外传感器因其灵敏度高、工作于常温下，长久以来成为红外研究的热点，近年来有很多研究致力于提高其综合性能，其衬底的绝热结构和红外辐射的阻断方式构成了影响非制冷红外焦平面探测器阵列的分辨率和探测率等性能提高的主要因素。本论文研究其衬底材料，希望采用氧化后的多孔硅一维光子晶体来构建热释电红外传感器的新型衬底。 本文通过计算机模拟讨论了结构参数对光子晶体多层膜结构光学质量的影响，利用阳极氧化法形成多层膜结构，通过快速热氧化制备绝热性能优越且光子频率带隙位于中远红外波段一维光子晶体，并讨论和改进工艺因素以优化性能，利用这种材料探索非制冷红外焦平面探测器阵列的衬底。 论文第一章扼要地阐述光子晶体和非制冷红外热释电探测器的概念，介绍目前基于多孔硅的一维光子晶体发展现状以及存在的主要问题，并分析本论文立题依据、可行性和独特前沿性。 论文第二章论述基于多孔氧化硅一维光子晶体的制备方法。探讨电流密度、电解液、腐蚀时间和温度、快速热氧化时间和温度等实验参数对其结构、性能的影响。 论文第三章采用传输矩阵的方法对多孔硅一维光子晶体的光学结构参数进行了讨论，并分析周期数、折射率之比和中心波长对禁带的影响。 论文第四章论述多孔硅一维光子晶体的处理和优化，介绍和分析氧化前后的傅立叶转换红外线光谱(FTIR)移动变化及与MATLAB拟合的结果对比并分析形成光子带隙的条件，并成功制备中心禁带位于中红外波段(5、6、7微米)具有良好绝热性能多孔氧化硅一维光子晶体，并探讨工艺改进方案。 论文第五章论述对制备光子频率带隙位于远红外波段(10微米)一维光子晶体研究意义及傅立叶转换红外反射谱的实现与讨论，并对多孔氧化硅作为制作非制冷红外焦平面探测器阵列的衬底进行探索与实现，采用SEM对其多层膜结构进行了验证并成功地得到禁带中心位于10微米的高反射光学性能。论文第六章对全文工作进行总结，并对基于多孔氧化硅制作非制冷红外焦平面探测器阵列的衬底进行应用展望。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章导论

1.1光子晶体概述

1.1.1光子晶体简介

1.1.2光子晶体性质及其制备技术

1.1.3一维光子晶体的原理及其应用

1.1.4基于多孔硅一维光子晶体的简介

1.2红外热释电传感器概述

1.2.1红外探测器简介

1.2.2基于多孔硅一维光子晶体在红外探测领域中的应用

1.3本论文拟开展的研究方案及可行性分析

1.4本论文的主要工作

第二章多孔硅一维光子晶体原理及制作方法

2.1多孔硅形成机理

2.2多孔氧化硅一维光子晶体原理

2.3多孔硅一维光子晶体实验、处理及表征设备

2.3.1电化学腐蚀设备

2.3.2基于虚拟仪器开发的电参数测控设备

2.3.3多孔硅一维光子晶体快速热处理设备

2.3.4傅立叶变换红外谱原理

2.4多孔硅的一维光子晶体制备、工艺参数处理

2.4.1电流密度的选定

2.4.2氢氟酸浓度的选定

2.4.3硅衬底的选定

2.4.4腐蚀时间的选定

2.4.5腐蚀温度的选定

2.4.6快速热氧化条件的选定

2.5本章小结

第三章多孔硅一维光子晶体的设计

3.1一维光子晶体模型

3.1.1一维光子晶体的Kronig-Penney模型

3.1.2一维光子晶体的传输矩阵模型

3.2基于MATLAB的多孔硅一维光子晶体设计

3.3实验参数的讨论

3.3.1多层膜生长速率的测定

3.3.2各层膜厚与折射率的选定

3.3.3周期数的选定

3.4中红外波段(5、6、7微米)多孔硅一维光子晶体实验参数的选定

3.5本章小结

第四章中红外波段多孔硅一维光子晶体的研究

4.1中红外波段多孔硅一维光子晶体的制备

4.1.1多孔硅一维光子晶体阳极氧化异常现象、原因及解决

4.1.2多孔硅一维光子晶体阳极氧化前后处理

4.2多孔硅一维光子晶体氧化行为研究

4.3宽角度多孔硅一维光子晶体反射镜研究

4.4多孔硅一维光子晶体表面特性改善

4.5本章小结

第五章远红外波段多孔硅一维光子晶体的实现

5.1研究意义

5.2实验优化

5.3测试表征

5.3.1远红外波段多孔硅一维光子晶体设计与模拟

5.3.2 10微米中心禁带宽角度反射镜的讨论

5.4远红外波段多孔硅一维光子晶体阵列的实现

第六章结论

6.1结论

6.2展望

参考文献

致 谢

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